JP6392154B2 - 直流電流遮断装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
この直流電流遮断装置において、定常送電時は機械接点式断路器が導通状態になっており、半導体遮断器および転流回路が遮断状態になっている。よって、定常送電時における送電電流は機械接点式断路器のみを流れる。
(第1の実施形態)
[1−1.構成]
まず、第1の実施形態における直流電流遮断装置の構成について、図1〜6を参照して説明する。
図1、図2は、本実施形態の直流電流遮断装置の全体構成を示す図である。具体的には、図1は、第1の実施形態における直流電流送電装置の全体構成の一例を示す正面図であり、図2は、第1の実施形態における直流電流送電装置の全体構成の一例を示す側面図である。図3は、第1の実施形態における直流電流送電装置の機械接点式遮断器の部分拡大図の断面図である。図4は、第1の実施形態における直流電流送電装置の半導体モジュールの構成例を示す断面図である。図5は、第1の実施形態における直流電流送電装置の転流回路、半導体遮断器、機械接点式遮断器の接続関係の一例を示す回路図である。
機械接点式遮断器2は、圧力容器5と、操作機構7と、ブッシング(bushing)8を有する。圧力容器5は機械接点6を内部に封入する。
圧力容器5は、円筒状の金属タンク9と、電流遮断装置を設置するための基礎14に金属タンク9を支持するための固定脚10と、金属タンク9から導体11を延出するための2つの開口部12と、操作機構7に接続するための接続部13とを備える。金属タンク9は、固定脚10により基礎14に固定され、電気的には接地電位と等電位になっている。
このような圧力容器5の金属タンク9の内部には絶縁性媒体15が充填されている。この絶縁性媒体15は、例えば、六フッ化硫黄ガス(SF6ガス)、二酸化炭素、窒素、乾燥空気、またはそれらの混合ガス、絶縁油等であることができる。第1の実施形態では金属タンク9の内部には絶縁性媒体15としてSF6ガスが充填されている。
図2などに示すように、半導体遮断器3は、半導体モジュール26と、モジュール支持板27と、避雷器ユニット28と、絶縁支柱29、30を有する。
また、図4に示すように、半導体モジュール26は、半導体スタック31と、半導体スタック31の付属回路32と、収納容器33と、絶縁支持部34とを有する。
また、半導体スタック31には付属回路32が接続される。この付属回路32は、IGBT35の通電方向に対して逆方向に電流を通過させるダイオードと、各IGBT35の間の電圧分布を均一化するスナバ回路と、IGBT35へのスイッチング指令を出力するゲートユニットとを含む。
絶縁支持部34は、収納容器33下部に機械的に接続され、この絶縁支持部34を含む半導体モジュール26と、この半導体モジュール26を支持するモジュール支持板27との絶縁距離を保持しつつ、半導体モジュール26をモジュール支持板27に固定する。
図1、図2に示すように、転流装置4は、転流回路モジュール40と、この転流回路モジュール40用のモジュール支持板27を有し、このモジュール支持板27は、半導体遮断器3で説明した絶縁支柱29に機械的に固定される。また、図1、2に示すように、絶縁支柱29の上端部には、転流回路モジュール40の上部を覆うモジュール支持板27を機械的に固定してもよい。つまり、第1の実施形態では、半導体遮断器3と転流装置4とで絶縁支柱29を共有して、この絶縁支柱を半導体遮断器3と転流装置4とに跨る1つの構造体として構成する。
図6に示すように、転流回路モジュール40は、ハーフブリッジ回路(以下、Hブリッジ回路41という)と、転流回路モジュール40用の収納容器33と、転流回路モジュール40用の絶縁支持部34とを有する。
図7に示すように、Hブリッジ回路41は、自励式半導体素子(以下、IGBT42とする)を2個直列に接続した2つのレグと、コンデンサ43とが並列に接続された構成となっており、インバータとして機能する。また、Hブリッジ回路41のIGBT42には、IGBT42の通電方向に対して逆方向に電流を通過させるダイオード49が並列に接続されている。
保守性や、汚損による絶縁性能の低下防止などを考慮して、図1、図2に示すように、上記の構成を有する直流電流遮断装置1は、建屋46内に設置され、機械接点式遮断器2のブッシング8上端、半導体遮断器3、転流装置4などの高電圧部と、建屋壁面47との絶縁距離を十分保持する位置に配置される。
以上のような、第1の実施形態の直流電流遮断装置の作用を説明する。
直流送電線20または21において事故が発生する前の定常状態では、直流送電線20、機械接点式遮断器2、直流送電線21の経路で電流が流れ、直流電力が送電される。この電流は、抵抗が非常に小さい機械接点6のみを通過するため、導通損失が非常に小さく、高効率に送電することができる。
以上の動作を以て、直流電流遮断装置1は事故電流の遮断を完了する。
以上のような第1の実施形態の直流電流遮断装置の効果は以下の通りである。
(1)定常状態では、電力融通電流が、抵抗が非常に小さい機械接点式遮断器2だけを流れる。このため、導通損失がほとんど発生しなくなり、高効率な直流電流遮断装置1を提供できる。
次に、第2の実施形態について説明する。
[2−1.構成]
第2の実施形態の直流電流遮断装置の構成について、図8〜11を参照して説明する。図8、図9は、第2の実施形態における直流電流遮断装置の全体構成を示す図である。具体的には、図8は、第2の実施形態における直流電流遮断装置の全体構成の一例を示す正面図であり、図9は、第2の実施形態における直流電流遮断装置の全体構成の一例を示す側面図である。図10は、第2の実施形態における直流電流送電装置の転流回路、半導体遮断器、機械接点式遮断器の接続関係の一例を示す回路図である。図11は、第2の実施形態における直流電流遮断装置の機械接点式遮断器の部分拡大図の断面図である。
図8、9、10に示すように、転流調整リアクトル55は、並列に接続された機械接点式遮断器2と半導体遮断器3の接続点のうち、真空バルブ(電流遮断接点)18側の接続点である、端子51と端子56との間に接続される。端子56は、半導体遮断器3および転流調整リアクトル55の接続点である。また、転流装置4の転流回路モジュール40は、端子57と端子56との間に電気的に接続される。端子57は、機械接点式遮断器2のガス接点17および真空バルブ18の接続点を、ブッシング8を介して引き出した端子である。
なお、ガス接点17および真空バルブ18の接続点は、圧力容器5の開口部58へ導出され、この開口部58に接続されたブッシング8先端の端子57と電気的に接続される。
以上のような第2の実施形態の直流電流遮断装置の作用を説明する。
直流送電線20または21において事故が発生する前の定常状態では、直流送電線20、機械接点式遮断器2、直流送電線21の経路で電流が流れ、直流電力を送電する。この電流は、抵抗が非常に小さい機械接点6のみを通過するため、導通損失が非常に小さく、高効率に送電することができる。
その後の動作は、第1の実施形態と同様である。
以上のような、第2実施形態における直流電流遮断装置は、第1の実施形態と同様の効果を有する。
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第1または第2の実施形態を組み合わせたものも包含される。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
(1)第1、第2の実施形態では、直流電流遮断装置1に対して電界緩和用のシールドを取り付けていなかったが、半導体遮断器3や避雷器39、ブッシング8などの電界集中部に対して電界緩和用のシールドを取り付けてもよい。
Claims (12)
- 機械接点式遮断器、半導体遮断器、転流装置を備える直流電流遮断装置であって、
前記機械接点式遮断器は、
少なくとも1つの高耐電圧接点と、少なくとも1つの電流遮断接点とが直列に接続される機械接点と、
円筒状の圧力容器と、
前記圧力容器に接続するブッシングと、を備え、
前記圧力容器は、前記機械接点を内部に封入し、かつ接地電位と等電位であり、
前記ブッシングは、前記機械接点の両端から導体を前記圧力容器の外部に引き出し、それぞれの前記導体を直流送電系統と接続し、
前記半導体遮断器は、
半導体モジュールと、モジュール支持板と、絶縁支柱と、を備え、
前記半導体モジュールは、
自励式半導体素子を2個以上一列に積層して直列接続した半導体スタックと、
前記半導体スタックの付属回路と、
絶縁支持部とを有し、
前記絶縁支持部は、
前記半導体スタック及び前記付属回路を、前記モジュール支持板に対して電気的に絶縁すると共に、前記モジュール支持板に対して機械的に接続し、
前記絶縁支柱は、
前記モジュール支持板を機械的に支持または固定し、
前記半導体遮断器は、前記機械接点式遮断器に対して並列に接続され、
前記転流装置は、
前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点、前記電流遮断接点のうち少なくとも前記高耐電圧接点に対して並列に接続され、
前記半導体遮断器に対して直列に接続され、
前記直流送電系統の定常送電時は、送電電流が前記機械接点式遮断器だけに流れ、
前記直流送電系統に事故電流が発生したときは、前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点と、前記電流遮断接点を開路して、前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を通電状態にして、前記転流装置によって前記電流遮断接点に流れる電流を一時的にゼロとすることで、前記事故電流を前記機械接点式遮断器から前記半導体遮断器へと転流させ、前記事故電流の転流後に前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を遮断状態とすることで、前記直流送電系統の前記事故電流を遮断する
ことを特徴とする直流電流遮断装置。 - 前記転流装置は、
前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点、前記電流遮断接点の双方に対して並列に接続される
ことを特徴とする請求項1に記載の直流電流遮断装置。 - 前記半導体遮断器および前記転流装置の接続点と、前記電流遮断接点および前記直流送電系統の接続点との間に、転流調整リアクトルが接続され、
前記転流装置は、
前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点および前記電流遮断接点の接続点と、前記半導体遮断器および前記転流調整リアクトルの接続点との間に接続される
ことを特徴とする請求項1に記載の直流電流遮断装置。 - 前記高耐電圧接点はガス接点であり、
前記電流遮断接点は真空バルブである
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の直流電流遮断装置。 - 前記転流装置は、
転流回路モジュールと、
モジュール支持板と、
絶縁支柱とを有し、
前記転流回路モジュールは、
前記自励式半導体素子を2個直列に接続した2つのレグとコンデンサとを並列に接続して構成されるハーフブリッジ回路と、
前記ハーフブリッジ回路を前記転流装置の前記モジュール支持板に対して電気的に絶縁し、前記転流装置の前記モジュール支持板に対して機械的に接続する絶縁支持部と、を有し、
前記ハーフブリッジ回路を、1つまたは複数直列接続して構成され、
前記転流装置の前記絶縁支柱は、前記転流装置の前記モジュール支持板を機械的に固定する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の直流電流遮断装置。 - 前記半導体遮断器の前記絶縁支柱と、前記転流装置の前記絶縁支柱とが共有される
ことを特徴とする請求項5に記載の直流電流遮断装置。 - 前記半導体遮断器は、
前記半導体モジュールおよび前記モジュール支持板を前記絶縁支柱に対して2段以上積層して配置され、
複数の前記半導体モジュール間が直列に接続される
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の直流電流遮断装置。 - 絶縁支柱上に少なくとも1個の避雷器を軸方向に積層し、これらを直列に接続して構成した避雷器ユニットをさらに備え、
前記避雷器は前記半導体モジュールに対して並列に接続される
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の直流電流遮断装置。 - 前記機械接点式遮断器の前記ブッシングの角度を、自装置の設置面の垂直方向に対して傾斜させた
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の直流電流遮断装置。 - 前記機械接点式遮断器を、前記半導体遮断器の側面のうち面積がより広い側面側に、前記広い側面と前記圧力容器の軸方向とが平行になるように配置する
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の直流電流遮断装置。 - 前記半導体遮断器や前記ブッシングに存在する電界集中部に取り付けた電界緩和用のシールドを有する
ことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の直流電流遮断装置。 - 機械接点式遮断器、半導体遮断器、転流装置を備えて、前記機械接点式遮断器は、少なくとも1つの高耐電圧接点と、少なくとも1つの電流遮断接点とが直列に接続される機械接点と、円筒状の圧力容器と、前記圧力容器に接続するブッシングと、を備え、前記圧力容器は、前記機械接点を内部に封入し、かつ接地電位と等電位であり、前記ブッシングは、前記機械接点の両端から導体を前記圧力容器の外部に引き出し、それぞれの前記導体を直流送電系統と接続し、前記半導体遮断器は、半導体モジュールと、モジュール支持板と、絶縁支柱と、を備え、前記半導体モジュールは、自励式半導体素子を2個以上一列に積層して直列接続した半導体スタックと、前記半導体スタックの付属回路と、絶縁支持部とを有し、前記絶縁支持部は、前記半導体スタック及び前記付属回路を、前記モジュール支持板に対して電気的に絶縁すると共に、前記モジュール支持板に対して機械的に接続し、前記絶縁支柱は、前記モジュール支持板を機械的に支持または固定し、前記半導体遮断器は、前記機械接点式遮断器に対して並列に接続され、前記転流装置は、前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点、前記電流遮断接点のうち少なくとも前記高耐電圧接点に対して並列に接続され、前記半導体遮断器に対して直列に接続される直流電流遮断装置の制御方法であって、
前記直流送電系統に事故電流が発生したときは、前記高耐電圧接点と、前記電流遮断接点を開路して、前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を通電状態にして、前記転流装置によって前記電流遮断接点に流れる電流を一時的にゼロとすることで、前記事故電流を前記機械接点式遮断器から前記半導体遮断器へと転流させ、前記事故電流の転流後に前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を遮断状態とすることで、前記直流送電系統の前記事故電流を遮断する
ことを特徴とする直流電流遮断装置の制御方法。
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